Преобразователи электрического тока и напряжения

Инвертор - специальное электронное устройство для преобразования электрического тока. Инверторы уже на протяжении долгого времени с успехом используются в системах бесперебойного электропитания на производствах, в больницах, различных финансовых учреждениях - везде, где перепады напряжения либо плохое качество поставляемой электроэнергии недопустимы.

Инверторы являются одним из непременных компонентов в составе систем альтернативной энергии, применение которых в последнее время становится все более актуальным. Практически единственное условие - наличие высокотехнологичного дополнительного аккумуляторного оборудования - позволяет без особых сложностей и в то же время достаточно результативно использовать инверторы в быту. Жест­кие требования по синусоидальности, уровню гармоник, которые предъявляет к работе чувствительная к перепадам напряжения, обычно дорогая, техника, позволяют обеспечить инверторы.

В настоящее время производители выпускают инверторы двух типов: зависимые и автономные. В зависимых инверторах между источниками тока расположены управляемый вентиль, сопротивление и катушка индуктивности.

Зависимые инверторы функционируют в двух режимах - выпрямления и индуктивности. В первом режиме, характеризующемся ранним зажиганием вентиля, устройство переменного тока работает как генератор, а постоянного - как двигатель. При этом угол сдвига фаз между основным током через вентиль и напряжением переменного тока составляет менее 90°. Во втором режиме (инвертирование - позднее зажигание вентиля) угол сдвига фаз составляет больше 90°. Соответственно, процесс идет наоборот - устройство переменного тока становится двигателем, а постоянного - генератором.

Существуют два способа переключиться с режима выпрямления к режиму инвертирования. Первый - перемена полярности напряжения со стороны постоянного тока. Второй способ заключается в изменении направления тока вентиля.

Отрицательное напряжение, остающееся некоторое время на вентиле после прохождения импульса тока, может быть причиной потери управляемости вентиля. Наличие этого напряжения - причина того, что сдвиг фаз во время инвертирования, как правило, не равен 180°. И в цепи переменного тока определяется наличие так называемой мощности сдвига - реактивной мощности основной частоты.

Зарядка конденсатора автономного инвертора осуществляется от источника постоянного тока через дроссель. Разрядка - через первичную обмотку трансформатора и вентиль. Переменный ток получается во вторичной обмотке трансформатора.

Типы инверторов

Рассмотрим наиболее перспективные и, на мой взгляд, удачные типы инверторов. Их три. Это параллельные инверторы, последовательные инверторы и резонансные инверторы с удвоением частоты. У каждого из этих типов есть свои недостатки и достоинства.

Параллельные инверторы

Одна из особенностей данной схемы - отдача во время работы в нагрузку своей минимальной активной мощности. В случае же отклонения от резонансной частоты к выросшему значению активной мощности прибавляется еще и реактивная мощность. Следовательно, для того чтобы осуществлять регулировку мощности в сторону от номинального ее значения к уменьшению, необходимо обеспечить потребление максимальной активной мощности от источника в порядке максимальной расстройки. Результатом этого становятся увеличение потерь в номинальном режиме, а также завышенная номинальная мощность оборудования, что, в свою очередь, делает совершенно энергетически и экономически невыгодным использование частотного регулирования в инверторах данного типа.

И это еще не все проблемы. Усложнение ячейки, следствием которого являются дальнейшие потери и общее снижение КПД инвертора, при частотном регулировании параллельного инвертора является действительно необходимым. В этом случае прибор должен иметь дополнительную транзисторную ячейку, которая устанавливается с целью блокировки обратного напряжения. На практике это выглядит так: быстродействующий диод включается последовательно с силовым транзистором.

С другой стороны, существует возможность вовсе отказаться от частот­ного регулирования в параллельном инверторе. Последовательный диод подключать не обязательно в том случае, когда к транзисторной ячейке не прикладывается обратное напряжение, для этого необходимо осуществить автоматическую подстройку выходной частоты инвертора к резонансной частоте нагрузочного сектора. Однако и эта схема имеет свои недостатки. В этом случае схему усложняет (однако дает новые возможности по регулированию) регулятор в цепи питания прибора.

В его качестве используется регулируемый выпрямитель либо широтно-импульсный модулятор напряжения неуправляемого выпрямителя.

Параллельные инверторы обладают и достоинствами. Например, с их помощью удобно формировать небольшие нагревательные узлы за счет того, что в данной схеме большое расстояние от нагрузочного контура до трансформатора не является проблемой. Подобный эффект достигается за счет относительной простоты согласования параллельного инвертора с низкоомной высокодобротной индукционной нагрузкой.

Последовательные инверторы

В последовательном инверторе энергетически выгодным является процесс частотного регулирования мощности.

Данный тип инверторов допускает частотное регулирование и не требует регулируемого источника питания постоянным током, потому что транзисторная ячейка, использованная здесь, простая.

В последовательном инверторе энергетически выгодным является процесс частотного регулирования мощности. Объясняется это тем, что в отличие от параллельного инвертора здесь во время работы прибора выходная частота отклоняется от резонансной частоты нагрузки, реактивная мощность возрастает, а активная снижается. Соответственно, показатель полной потребляемой от источника мощности также снижается.

Импульсные режимы работы также доступны для последовательного инвертора. Данные режимы применяются в установках газового разряда, при высокоинтенсивной закалке, в целом в технологиях индукционного нагрева.

Теперь о недостатках. Одним из недостатков данной схемы является то, что при работе с ней компенсирование реактивной мощности прибора происходит только в последовательном или в последовательно-параллельном режиме. Эффект последовательного резонанса, результатом которого является рост напряжения на индукторе, является причиной использования специального трансформатора с низким уровнем трансформации. Он необходим для согласования с низкоомным индуктором, его конструкция достаточно сложна, а энергетические показатели довольно низки. Имеет значение и расстояние от трансформатора до нагревательного контура, потому что по вторичной обмотке трансформатора идет полный ток индуктора. Однако в целом сопротивление индуктора характеризуется довольно большими величинами при высоких частотах, что делает последовательную компенсацию в общем приемлемой.

Резонансные инверторы с удвоением частоты

Данный тип инверторов с появлением высоковольтных транзисторов рассматривался как платформа для построения транзисторных генераторов. Одним из главных достоинств резонансных инверторов является их высокая надежность (прибор способен работать без сбоев даже при изменении нагрузки от холостого хода до короткого замыкания). Кроме этого, стоит упомянуть мягкую коммутацию транзисторов, позволяющую осуществлять включение прибора с нулевым током и отключение его с нулевым напряжением, а также эффективную систему частотного регулирования. Реактивная мощность индуктора у этого типа инверторов может быть компенсирована по параллельной схеме, что также можно считать достоинством.

Есть и недостатки. К ним относятся большие реактивные токи, как результат - относительно низкий КПД прибора, который, кстати, еще заметнее падает в случае отклонения от номинального сопротивления нагрузки.

Бытовое применение

Задача инверторов, с которой они хорошо справляются в бытовом применении, - питание потребителей переменного тока от источника постоянного тока. Чаще всего в качестве такого источника выступает аккумуляторная батарея.

Инверторы можно условно разделить на две группы:

Как и большинство представленной в последнее время аппаратуры, инверторы постоянно совершенствуются. Их конструкция становится компактнее, снижается масса, добавляются современные электронные компоненты. Все это позволяет шаг за шагом повышать КПД прибора.

Специальные схемные разработки сделали возможной параллельную работу нескольких инверторов, уровень резервирования доходит до N + 1. Очевидно, что параллельное подключение практически стирает предел мощности инверторной установки в связи с тем, что при необходимости увеличения показателя мощности всегда существует возможность доукомплектования прибора.

Одной из разработок, повышающих надежность работы прибора, является электронное переключающее устройство. Задача данного устройства - отслеживать характер работы инвертора и при возникновении неисправности переключать нагрузку на сеть в положение «приоритет инвертора» либо с сети на инвертор в положение «приоритет сети». Последнее осуществляется в случае отключения напряжения.

При всей на первый взгляд технической сложности прибора его уже давно успели оценить дачники, любители рыбной ловли, автолюбители. Например, инвертор хорошо подходит для обеспечения автоматического открытия (закрытия) ворот с электрическим приводом в загородном доме. Еще один инвертор можно установить с целью автономного энергообеспечения системы видеонаблюдения, сигнализации, пожарных датчиков и тому подобного.

Из приведенной ниже таблицы видно, как долго будет работать инвертор в каждом конкретном случае в зависимости от того, какая аккумуляторная батарея с ним используется.

Преимущества и недостатки. Сравнение с UPS

Как известно, UPS (Uninterr-uptible Power Supplies) чаще всего используются для защиты дорогостоящей аппаратуры от скачков напряжения в сети. ИБП способен защитить компьютер от потери данных даже в случае полного исчезновения напряжения в сети, для этого в него встроена специальная аккумуляторная батарея. Она дает запас времени 10-15 минут, достаточный для того, чтобы сохранить данные и правильно выключить компьютер.

ИБП действует по принципу преобразования низкого постоянного напряжения от батареи (в ИБП чаще устанавливают аккумуляторы на 36, 42, 60 В или 80 В, иногда на 12 или 24 В) в высокое (220 В) переменное (50 Гц) напряжение.

Как упоминалось выше, приборы, работающие по этому принципу, в электротехнике называются инверторами. Инверторы для автономного электроснабжения разработаны с целью обеспечения разнообразной электрической нагрузки.

Инверторы обладают целым рядом достоинств в сравнении с ИБП. Например, они менее чувствительны к так называемым пусковым токам. При запуске таких приборов, как насосы, компрессоры и другие виды приводов, возникает кратковременный скачок напряжения, компенсировать который способны далеко не все ИБП. Большинству не хватает запаса мощности. У инверторов же коэффициент мощности не ограничен и, как правило, имеет значения от +1 до -1. Кроме того, в инверторах обычно предусматривается защита от коротких замыканий, перегрузок, некорректного подключения аккумулятора. Инвертор снабжен зарядным устройством, которое позволяет зарядить емкость аккумулятора. При этом инвертор может быть довольно мощным, к тому же практически у всех моделей предусматривается возможность подключения к бортовой электросети автомобиля.

Форма выходного напряжения

Инверторы подразделяются и по такому параметру, как форма выходного напряжения. Существуют три формы напряжения: квадратичная, трапециевидная и синусоидальная. Для нагрузки с магнитными сердечниками (двигатели, трансформаторы) модификация формы напряжения приводит к некоторому изменению мощности.

Форма синусоидального напряжения наиболее предпочтительна для питания устройств, требующих качественных поставок электроэнергии. Существует еще квазисинусоидальная форма выходного напряжения, но она является лишь имитацией синусоиды и представляет собой меандр. Инверторы с квазисинусоидальным выходным напряжением при работе создают достаточно заметные помехи, которые отчетливо заметны при работе телевизора и радиоприемника. Поэтому, несмотря на то, что такие инверторы ощутимо дешевле, с целью обеспечения качественного напряжения следует отдавать предпочтение инверторам с синусоидальной формой выходного напряжения.

Источник: Журнал «Рынок Электротехники», № 2, 2009 г.